Thuyết Siêu dây – niềm hy vọng của vật lý thế kỷ 21

0
1671

Suốt 20 năm cuối của cuộc đời, Albert Einstein đã trở thành một nhân vật đặc biệt trong cộng đồng vật lí, những chủ đề tranh cãi yêu thích của người đàn ông lập dị được yêu mến này thu hút những cái nhìn đầy bối rối trong cộng đồng. Trong khi thuyết lượng tử – lí thuyết của những vật thể có kích thước vô cùng nhỏ bé – được đo đạc với một độ chính xác chưa từng có, Einstein lại không coi nó là lí thuyết nền tảng. Những năm cuối đời, ông tìm cách để thống nhất thuyết tương đối về lực hấp dẫn của ông với những mô tả lượng tử về thế giới. Dù vậy, ông đã không thành công và qua đời mà không thể thấy giấc mơ tha thiết nhất của mình thành hiện thực.

Nhà bác học Albert Einstein. Ảnh: Time

Hơn 40 năm sau, như những gì Einstein mong đợi, vấn đề dai dẳng về những mâu thuẫn giữa thuyết tương đối rộng và thuyết lượng tử đang trên đường được thống nhất, tuy câu trả lời vẫn rất khó để nắm bắt. Nếu những giả thuyết của một số nhà vật lí về “thuyết siêu dây” (hay ngắn gọn hơn là thuyết dây) là đúng, thì chúng ta đang sống trong một thế giới kì quái hơn tưởng tượng.

Đó là một thế giới với 10 chiều không gian, một vài trong số chúng cuộn lại trong một kích thước vi mô và số còn lại là những chiều không gian lớn mà ta có thể nhận thức được. Đó là một thế giới mà sự phân biệt không – thời gian là tương đối (như thuyết tương đối rộng đề cập), hay thực tế, những quan niệm đã biết về không- thời gian gần như biến mất. Theo Brian Greene – giáo sư của Đại học Columbia, tác giả một cuốn sách về chủ đề này – “Nếu thuyết dây là đúng, kết cấu vũ trụ của chúng ta có thể khiến cả Einstein cũng phải kinh ngạc”.

Trong lí thuyết dây, không tồn tại các hạt cơ bản (như electron hay quark) mà thay vào đó là những phần tử dây rung động. Nguồn: laughingsquid
Hình trên là minh họa một dây khép kín, chính là đặc điểm của một hạt graviton không có khối lượng với spin bằng 2 (đó là hạt trung gian của lực hấp dẫn). Đây là một trong những đặc điểm thu hút nhất của thuyết dây. Nó tự nhiên, và không thể thể tránh khỏi việc bao hàm cả trọng lực như là một trong những tương tác không thể tránh. Ảnh: John Pierre

Trong lí thuyết dây, không tồn tại các hạt cơ bản (như electron hay quark) mà thay vào đó là những phần tử dây rung động. Mỗi kiểu rung động tương ứng với một loại hạt khác nhau và xác định điện tích, khối lượng của loại hạt đó. Theo những hiểu biết hiện tại về lí thuyết này, các dây không có cấu trúc nội tại, chúng là những thành phần cơ bản nhất của vật chất. Hệ quả thu được từ việc thay thế những hạt điểm bằng các dây rung động là rất đáng kể. Cơ cấu phù hợp duy nhất để mô tả những dây này là một không gian có 10, thậm chí 11 chiều, trong đó 6 hoặc 7 chiều đã bị co lại. Những chiều không gian phụ đó xác định nên các thuộc tính của thế giới chúng ta đang sống. Những chiều còn lại với kích thước lớn hơn là không – thời gian thông thường mà ta có thể nhận thức được.

Trong 10 chiều không – thời gian của thuyết siêu dây, ta mới chỉ quan sát được 4 chiều. Bằng cách nào đó, ta cần liên kết chúng lại nếu muốn dùng lí thuyết này để mô tả vũ trụ của chúng ta. Để làm được điều đó, ta cuộn 6 chiều không gian phụ thành 1 khối cực nhỏ. Nếu kích thước của khối không gian này bằng với quy mô của dây (10^-33 cm), ta không thể nhận thấy sự hiện diện của chúng một cách trực tiếp – chúng quá nhỏ. Kết quả cuối cùng là ta quay lại với không gian (3+1) chiều quen thuộc, nhưng vẫn có một ‘quả bóng’ vô cùng nhỏ với 6 chiều không gian tồn tại gắn với mỗi điểm trong vũ trụ 4 chiều của chúng ta.

Với tư cách là một thuyết ‘thống nhất’, thuyết dây nỗ lực để diễn tả 4 lực trong tự nhiên, và quả thực, một trong những lời giải của phương trình dây là mô tả được một lực giống như lực hấp dẫn. Đó là minh chứng cho sức mạnh và vẻ đẹp của thuyết dây, khiến các nhà vật lí học lựa chọn bỏ qua những quan niệm về không – thời gian để chấp nhận một thế giới 10 chiều, thay vì nghi ngờ con đường mà tại đó việc tìm kiếm một lí thuyết thống nhất đang đưa họ tới.

Ảnh: World Science Festival

Thuyết dây có thể giải thích một cách thành công lực hấp dẫn và dự đoán được những phần tử siêu đối xứng. Tuy nhiên, cho đến vài năm trở lại đây, có rất ít sự liên kết giữa lí thuyết này với các mảnh ghép khác trong vật lí. Không có kết quả hay những dự đoán chắc chắn nào được phát hiện. Nó vẫn chẳng có gì hơn một cấu trúc toán học đẹp đẽ.

Mọi thứ đã thay đổi vào năm 1996 khi Andrew Armstrong, đến từ Viện Vật lý lí thuyết tại Santa Barbara, và Cum-run Vafa từ Đại học Havard, đã sử dụng thuyết dây để xây dựng nên một loại lỗ đen, cũng tương tự như cách mà ta cấu tạo một nguyên tử Hydro bằng những phương trình, có nguồn gốc từ cơ học lượng tử, mô tả một electron liên kết với một proton.

Armstrong và Vafa đã xác nhận một kết quả được rút ra bởi Jacob Bekenstein và Stephen Hawking từ cuối những năm 1970. Bekenstein và Hawking đã tìm ra rằng mức độ hỗn độn (hay còn gọi là ‘entropy’) trong một loại lỗ đen đặc biệt là rất lớn. Đây là một kết quả đáng ngạc nhiên vì không ai có thể hiểu (kể cả những tính toán cũng không cho thấy bất cứ hiểu biết nào) về cách mà một vật thể đơn  giản như lỗ đen (có thể được mô tả đơn giản thông qua khối lượng và spin của nó) lại có mức độ hỗn độn ở bên trong lớn như vậy.

Minh họa một lỗ đen. Ảnh; The great courses plus

Nhờ việc dùng thuyết dây để cấu tạo nên loại lỗ đen đặc biệt này, Strominger và Vafa có thể thu được giá trị chính xác cho sự hỗn độn được dự đoán bởi Bekenstein và Hawking. Kết quả này đã gây sốc cả cộng đồng vật lý học. Lần đầu tiên một kết quả có nguồn gốc vật lí cổ điển lại thu được nhờ lí thuyết dây. Mặc dù những lỗ đen thu được có rất ít điểm chung với những lỗ đen được tin là tồn tại trong tâm của các thiên hà, nhưng những tính toán mới này biểu thị một mối liên kết giữa thuyết dây và lực hấp dẫn. Thêm vào đó, các tính toán cung cấp cái nhìn sâu hơn về những khía cạnh vật lý cho câu trả lời.

Chưa ai biết được liệu thuyết đây có phải là lý thuyết nền tảng – thuyết của vạn vật hay không, nếu một thứ lí thuyết như vậy thực sự tồn tại. Dù vậy, sự tao nhã và những tiềm năng của thuyết dây khiến nó trở thành ứng cử viên hàng đầu trong việc giải thích những cấu trúc bên trong của vũ trụ.

Thu Hà – Hội Thiên văn Nghiệp dư Hà Nội

Dịch từ NASA

 

Comments

comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here